Оптические системы формирования лазерного излучения в технологических установках

Назначение оптических систем в лазерных установках состоит в следующем:

– изготовление оптических резонаторов и получение лазерных излучения,

– передача энергии излучения лазера к месту обработки,

– регулирование параметров излучения,

– формирование светового пучка с высокой плотностью мощности(фокусировка),

– наводка излучения на обрабатываемую точку,

– контроль за процессом обработки и оценка ее результатов.

Оптические системы содержат следующие основные элементы:

– фокусирующие – линзы, объективы,

– отражающие элементы – зеркала, сканаторы,

– преломляющие – призмы полного отражения, оптические дефлекторы(устройства позволяющие расщеплять один луч на несколько лучей),

– регулирующие излучения – оптические затворы и др.,

– передающие световоды.

Фокусирующие элементы служат для изменения диаметра пучка лазерного излучателя с целью изменения плотности мощности излучения. В технологических установках, как правило, требуется уменьшать диаметр пучка и повышать плотность энергии мощности излучения, т.е. фокусировать излучение.

Наиболее простой и широко применяемый способ фокусировки излучения – применение одиночной линзы (рис. ), где f – фокусное расстояние, F – фокальная плоскость оптической системы.

Рис.

Из-за того, что лазерное излучение обладает определенной расходимостью (хотя и очень малой), оно может быть сфокусировано (уменьшено) до вполне определенного размера. Диаметр светового пятна излучения имеет наименьшее значение в фокальной плоскости F и определяется по формуле:

Подставляя выражение для θ получаем

(2.38)

На практике наблюдается искажение фокусировки(аберрации)

С учетом сферических аберраций

, (2.39)

где P* – расчетный параметр (определяется размерами и формой линзы).

Зная энергию или мощность лазерного излучения W_и , P_и , можно рассчитать плотность энергии или мощность в сфокусированном пятне:

; . (2.40)

Ранее (см. свойства лазерного излучения) проводили оценку этих величин исходя из диаметра лазерного излучения. При фокусировке эти параметры возрастают на несколько порядков. На практике обычно стремятся к уменьшению диаметра пятна излучения.

Из формулы (2.39) видно, что для уменьшения диаметра сфокусированного пятна излучения необходимо уменьшать фокусное расстояние. Однако, это можно делать лишь до определенных пределов, т.к. при слишком малом расстоянии между линзой и поверхностью фокусировки возникает опасность повреждения линзы (например, парами и жидкими частицами обрабатываемого материала).

Поэтому для получения пятна диаметром в несколько микрон применяют другой способ – увеличение диаметра пучка с помощью телескопической системы – см.(2.39).

Диаметр светового пятна в этом случае определяется с учетом (2.39) по следующей формуле:

,

где Г>1 – увеличение телескопической системы.

Оптимальное фокусное расстояние линзы (при котором достигается наименьший диаметр сфокусированного пятна) может быть определено по формуле:

. (2.41)

При прохождении лазерного излучения происходит нагревание линз оптической системы вследствие частичного поглощения излучения. Это может привести к термическим деформациям и повреждениям оптической системы. Поэтому плотность мощности излучения не должна превышать определенных значений, допускающих длительную нормальную работу деталей оптической системы.

Допустимая плотность мощности зависит от материала, из которого изготавливаются спицы и длины волны излучения.

– Для фокусировки излучения с длиной волны 0.4 – 2 мкм (видимый и ближний инфракрасный спектры) применяют линзы, изготовленные из различных сортов оптического стекла. Допустимая плотность мощности составляет ~ 10³ Вт/см².

– для излучения с длиной волны 10.6 мкм

(CO₂ – лазеры) обычные оптические материалы непрозрачны. Материалами для изготовления линз служат:

– монокристаллы солей галогеноводородных кислот – NaCl, KBr, KCl и др.

Допустимая плотность мощности ~ 10³ Вт/см². Обладают высокой гигроскопичостью и малым сроком службы.

– полупроводниковые кристаллы – германий, арсенид галлия и др. Допустимая плотность мощности 100 Вт/см².

При мощности излучения, превышающей допустимую, применяют либо принудительное воздушное или жидкостное охлаждение линз, либо Фокусирующие системы из зеркал с металлическими покрытиями на металлической основе(с целью лучшего охлаждения). Основа – стекло, медь, кремний. Покрытие – золото, серебро, медь, никель, молибден, алюминий и др.

Отражающие и преломляющие элементыоптических систем служат для изменения направления лазерного излучения. Применяются в оптических резонаторах и системах транспортировки лазерного излучения.

При длине волны лазерного излучения 0.4 – 2 мкм для этой цели применяют призмы полного внутреннего отражения и зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием.(для увеличения коэффициента отражения и уменьшения расстояния).

При длине волны излучения 10.6 мкм. применяют зеркала плоские, выпуклые, вогнутые с металлическим покрытием(из золота и алюминия), которые имеют высокий коэффициент отражения ( ~1). Изменяя плотность покрытий можно изменять коэффициент отражения, т.е. изготавливать полупрозрачные зеркала.

На практике часто возникает задача по перемещению лазерного луча по произвольному контуру. Для этого применяют систему подвижных плоских зеркал.(см. рис. )

Рис.

1 – излучатель лазера

2,3 – подвижные зеркала

4 – линза

5 – материал

По оси Х перемещаются зеркала 2 и 3 и линза 4 совместно, а по оси У могут двигаться только зеркало 3 и линза 4.

Одновременное перемещение по осям Х и У позволяет получать любую траекторию луча.

С применением зеркал изготавливаются системы сканирования лазерного луча, т.е. периодического перемещения его по одной и той же траектории.

Регулирующие элементы оптических систем предназначены для изменения энергии, мощности лазерного излучения, его пространственных и временных характеристик. К ним относятся

– оптические квантовые усилители – устройства , позволяющие увеличивать энергию лазерного импульсного излучения. Фактически это лазеры, в которых генерируются не самопроизвольно, а под действием излучения другого лазера. В результате к энергии импульса инициирующего излучения добавляется энергия излучения оптического усилителя.

– устройства для регулировки мощности излучения от нуля до номинального значения – диаграммы с переменным диаметром отверстия, сменные светофильтры с различными коэффициентами поглощения, оптические затворы, модуляторы, заслонки.

В качестве затворов модуляторов применяют следующие типы затворов

– электрооптический (эффект Понкельса), основан на явлении плоскости поляризации некоторыми веществами под действием высокого постоянного напряжения до 5кВ.

– механические затворы – вращающиеся зеркала до 30000 об/мин.

– затворы на насыщающихся затворах , основаны на явлении: при некотором значении интенсивности излучения некоторые органические красители становятся прозрачными.

– акустооптические затворы, кварцевое стекло и германий( для ИК диапазона) при воздействии ультразвуковых волн сопровождаются большими потерями(рассеяниями) для лазерного излучения и его генерация прекращается.

Затворы устанавливаются в резонаторе. Кроме этого применяются механические заслонки на выходе лазерного излучения из резонатора.

Передающие элементы оптических систем предназначены для передачи лазерного излучения на расстояния вплоть до нескольких десятков км. – для этого применяют волоконные световоды.

В настоящее время известно большое количество световодов. Наиболее широкое применение получили световоды следующей конструкции

Рис.

Волоконный световод состоит из сердечника 1 с показателем преломления n₁, оболочки 2 с показателем преломления n₂>n₁ и защитной оболочки 3. Материалы применяемые для изготовления: сердечник например, из кварца с добавкой титана, чтобы повысить показатель преломления, оболочка из чистого кварца. Вообще для изготовления этих элементов световодов применяют, в настоящее время, большое количество различных сортов стекол и полимеров; для защитной оболочки применяют различные лаки, полимеры, металлы, она обеспечивает защиту световода от воздействия внешней среды(влаги), повышает механическую прочность, улучшает оптические характеристики. Диаметр световода колеблется в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен мкм. Сердечник имеет диаметр в пределе от нескольких мкм. до 1000 мкм. (1мм.).

В световодах используется явление внутреннего полного отражения (рис. ). На границе раздела 2-х сред происходт явление преломления и отражения света. При переходе светового потока из среды с большим коэффициентом преломления n₁ в среду с n₂<n₁ при некотором значении угла падения ≥ θ_кр наблюдается полное отражение светового потока от границы раздела. Критический угол определения из соотношения

. (2.42)

Таким образом, если при входе светового потока в сердечник световода он падает на границу раздела с оболочкой под углом ≥ θ_кр, то этот поток распространяется только в пределах сердечника.

Важной характеристикой световода является – затухание эффективности свеового потока при распространении по световоду. В настоящее время созданы созданы световоды с затуханием ~ 1дБ/км.